生物光學(xué)標記是指用具有光學(xué)特性的標記物對生物分子進(jìn)行標記，從而達到檢測和識別的目的。根據應用光學(xué)特性的不同，通?？煞譃闊晒夥肿訕擞?、熒光蛋白標記、生物發(fā)光標記、化學(xué)發(fā)光標記等。根據標記目的，包括生物分子標記、生化標記、細胞學(xué)標記、形態(tài)標記等。

生命分子的探測、生命過(guò)程的觀(guān)察、特定生物組織的識別通常因其微觀(guān)性和隱蔽性而難以直接觀(guān)察，甚至超出儀器的檢測范圍。它可以“脫穎而出"并借助相應儀器進(jìn)行檢測。

對目前檢測方法可以檢測到的特定生物分子、細胞或組織進(jìn)行標記并檢測分子和納米顆粒，然后通過(guò)檢測分子/顆粒的數量和分布來(lái)獲取特定分子、細胞或組織的特征，進(jìn)而獲得某些區域以及細胞或生物體內分子、生化、生理指標的反應和信號。這種標記過(guò)程通常稱(chēng)為生物標記。生物光學(xué)標記是指用具有光學(xué)特性的標記物對生物分子進(jìn)行標記，從而達到檢測和識別的目的。根據應用光學(xué)特性的不同，通?？煞譃闊晒夥肿訕擞?、熒光蛋白標記、生物發(fā)光標記、化學(xué)發(fā)光標記、根據標記目的，包括生物分子標記、生化標記、細胞學(xué)標記、形態(tài)學(xué)標記等。

生物光學(xué)標記物，由于采用光學(xué)方法，借助成熟的光學(xué)高靈敏度檢測儀器，可以實(shí)現高對比度、高分辨率、高靈敏度、高信噪比，方便快捷地進(jìn)行檢測。選擇作為主要生物標志物方式。特別是熒光蛋白發(fā)現后，生物光學(xué)標記得到了快速的應用發(fā)展。 Osamu Shimomura、Martin Charfie 和 Roger Tsien 因其對綠色熒光蛋白的發(fā)現和研究而獲得 2008 年諾貝爾化學(xué)獎。生物光學(xué)標簽現在廣泛用作生命科學(xué)和醫學(xué)研究中的示蹤劑。

生物光學(xué)標記研究和應用的歷史
在生物研究中，科學(xué)家經(jīng)常使用發(fā)出熒光的熒光分子作為生物標記。通過(guò)將這種熒光分子化學(xué)連接到其他不可見(jiàn)的分子上，以前不可見(jiàn)的部分變得可見(jiàn)。生物學(xué)家一直在使用這種標記方法將原本透明的細胞或細胞器“拉"出暗顯微鏡視野。

傳統熒光分子發(fā)光時(shí)會(huì )產(chǎn)生有毒的氧自由基，導致觀(guān)察到的細胞死亡，這就是“光毒性"。因此，在綠色熒光蛋白發(fā)現之前，科學(xué)家只能通過(guò)熒光標記的方式進(jìn)行研究。死細胞的靜態(tài)結構，或者其毒性作用不得不暫時(shí)忽略，而活細胞只能觀(guān)察很短的時(shí)間，而熒光蛋白的光毒性很弱，非常適合標記各種活細胞。

1962 年，這種熒光蛋白在一種名為維多利亞多管發(fā)光水母的水母中被發(fā)現。其基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)在受到藍色波長(cháng)光激發(fā)時(shí)會(huì )發(fā)出綠色熒光。發(fā)光過(guò)程還需要發(fā)光蛋白水母發(fā)光蛋白的幫助，而這種蛋白還需要與鈣離子（Ca）相互作用。

GFP 的光毒性非常弱，非常適合標記活細胞。然而，從綠色熒光蛋白被發(fā)現到用于標記生物樣品，卻花了20多年的時(shí)間。 1993年，Martin Schalfi通過(guò)基因重組成功使水母以外的其他生物（如大腸桿菌等）產(chǎn)生綠色熒光蛋白。他不僅證實(shí)了綠色熒光蛋白與生物體的相容性，而且建立了利用綠色熒光蛋白研究基因表達的基本方法，而現代許多重大疾病都與基因表達異常有關(guān)。

后來(lái)，美籍華人錢(qián)永健系統地研究了綠色熒光蛋白的工作原理，并對其進(jìn)行了大刀闊斧的化學(xué)改造，不僅大大增強了其發(fā)光效率，而且開(kāi)發(fā)出了紅色、藍色、黃色熒光蛋白。 ，使熒光蛋白真正成為生物學(xué)家根據需要進(jìn)行選擇的工具箱。生物實(shí)驗室常用的熒光蛋白大多是錢(qián)永健修飾的變體。

有了這些熒光蛋白，利用光學(xué)儀器，科學(xué)家們似乎在細胞中安裝了“燈塔"，讓它們能夠實(shí)時(shí)監測各種生命過(guò)程。通過(guò)沙爾菲的基因克隆思想，科學(xué)家迄今已培育出熒光小鼠和熒光豬。
此外，除了上述熒光分子和熒光蛋白標記外，2000年以來(lái)，隨著(zhù)生物納米技術(shù)的發(fā)展，一些新型的、生物相容性的光學(xué)納米標記也得到了研究和開(kāi)發(fā)，如上轉換納米粒子、量子點(diǎn)等。 、長(cháng)延時(shí)熒光粒子等都已被研究和利用。它被用作細胞和活體的生物標記，作為生物光學(xué)成像“傳感"的有力的工具。

生物光學(xué)標記的類(lèi)型和應用
熒光分子/納米顆粒標記
熒光分子包括有機試劑或金屬螯合物；熒光納米粒子包括上轉換、量子點(diǎn)等，在紫外-可見(jiàn)-近紅外區域具有較強的特征熒光。用這種分子/納米顆粒標記細胞和活體后，可以實(shí)現光學(xué)示蹤檢測，或者激發(fā)和發(fā)射波長(cháng)、強度、壽命和偏振等熒光特性可以隨著(zhù)極性、折射率等環(huán)境特性的變化而敏感地改變、粘度和生物檢測可以利用這一特性進(jìn)行。熒光分子/納米顆粒標記設計靈活，應用方便。

生物發(fā)光標記
生物發(fā)光標記是利用熒光素酶（Luciferase）基因來(lái)標記細胞或DNA的生物標記方法。標記后，細胞合成熒光素酶，然后添加外源熒光素酶。下面，熒光素氧化后發(fā)光。該方法使研究人員能夠直接監測生物體中的細胞活動(dòng)和基因行為。通過(guò)該系統，可以觀(guān)察活體動(dòng)物中腫瘤生長(cháng)和轉移、傳染病的發(fā)展以及特定基因的表達等生物過(guò)程。由于其操作極其簡(jiǎn)單、結果直觀(guān)、靈敏度高，已廣泛應用于生命科學(xué)、醫學(xué)研究和藥物開(kāi)發(fā)。

熒光蛋白標記熒光蛋白
后將基因片段與目的基因連接，轉染細胞，正常表達后，可在激發(fā)光下用熒光顯微鏡、流式細胞儀或激光共聚焦顯微鏡觀(guān)察檢測。熒光蛋白包括綠色熒光蛋白(GFP)、紅色熒光蛋白(RFP)、藍色熒光蛋白(BFP)和黃色熒光蛋白(YFP)。它對活細胞無(wú)害，并且可以長(cháng)時(shí)間觀(guān)察。因此被廣泛應用于轉基因動(dòng)物、融合標記、基因治療、活細胞中蛋白質(zhì)功能定位和遷移變化、病原菌侵入活細胞的分子過(guò)程等研究。熒光蛋白作為新一代基因轉移報告基因和/或定位標記在生命科學(xué)研究中受到越來(lái)越多的關(guān)注

化學(xué)發(fā)光標記
將可發(fā)光的化合物附著(zhù)到待檢測分子（蛋白質(zhì)、核酸等）上的方法。也可以連接半抗原（如生物素等），然后與酶標抗半抗原抗體或親和素結合，與半抗原上的酶標抗體或親和素結合?？梢源呋瘜W(xué)發(fā)光底物發(fā)生化學(xué)變化而發(fā)光。例如，抗體分子用吖啶酯標記，被觸發(fā)器激活后發(fā)光，用于檢測固相抗原。